Een onderzoeksgroep van KAIST heeft een bacterie ontwikkeld die een natuurlijke rode kleurstof kan produceren, karmijnzuur, die veel wordt gebruikt voor voedsel en cosmetica. Het onderzoeksteam rapporteerde de volledige biosynthese van karmijnzuur uit glucose in gemanipuleerde Escherichia coli. De strategieën zullen nuttig zijn voor het ontwerp en de constructie van biosynthetische routes waarbij onbekende enzymen betrokken zijn en bijgevolg voor de productie van diverse industrieel belangrijke natuurlijke producten voor het voedsel, farmaceutisch, en cosmetische industrieën.

Karmijnzuur is een natuurlijke rode kleurstof die veel wordt gebruikt voor producten zoals aardbeienmelk en lippenstift. Echter, karmijnzuur is geproduceerd door cochenilles te kweken, een schildluis die alleen in de regio rond Peru en de Canarische Eilanden groeit, gevolgd door een gecompliceerde meerstaps zuiveringsprocessen. Bovendien, karmijnzuur bevat vaak eiwitverontreinigingen die allergieën veroorzaken, zoveel mensen zijn niet bereid om producten te consumeren die gemaakt zijn van door insecten aangedreven kleurstoffen. Op die rekening, fabrikanten over de hele wereld gebruiken alternatieve rode kleurstoffen ondanks het feit dat karmijnzuur een van de meest stabiele natuurlijke rode kleurstoffen is.

Deze uitdagingen inspireerden de metabolic engineering onderzoeksgroep van KAIST om dit probleem aan te pakken. Tot de leden behoren postdoctoraal onderzoekers Dongsoo Yang en Woo Dae Jang, en Distinguished Professor Sang Yup Lee van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering. Deze studie getiteld "Production of carminic acid by metabolically engineered Escherichia coli" werd online gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society ( JACS ) op 2 april.

Dit onderzoek rapporteert voor het eerst de ontwikkeling van een bacteriestam die in staat is om karmijnzuur te produceren uit glucose via metabole engineering en computersimulatie-ondersteunde enzymengineering. De onderzoeksgroep optimaliseerde de type II polyketidesynthase-machinerie om efficiënt de voorloper van karmijnzuur te produceren, flavokermesic zuur.

Omdat de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de overige twee reacties niet ontdekt of functioneel waren, biochemische reactieanalyse werd uitgevoerd om enzymen te identificeren die flavokermesic zuur in karmijnzuur kunnen omzetten. Vervolgens, homologiemodellering en docking-simulaties werden uitgevoerd om de activiteiten van de twee geïdentificeerde enzymen te verbeteren. Het team kon bevestigen dat de uiteindelijke gemanipuleerde stam karmijnzuur rechtstreeks uit glucose zou kunnen produceren. De in deze studie ontwikkelde C-glucosyltransferase bleek algemeen toepasbaar voor andere natuurlijke producten, zoals blijkt uit de succesvolle productie van een aanvullend product, aloësine, die wordt gevonden in aloëbladeren.

"Het belangrijkste onderdeel van dit onderzoek is dat onbekende enzymen voor de productie van natuurlijke doelproducten werden geïdentificeerd en verbeterd door biochemische reactieanalyses en computersimulatie-geassisteerde enzymengineering, " zegt Dr. Dongsoo Yang. Hij legde uit dat de ontwikkeling van een algemeen toepasbare C-glucosyltransferase ook nuttig is, aangezien C-glucosylering een relatief onontgonnen reactie is in bacteriën, waaronder Escherichia coli. Met behulp van de C-glucosyltransferase die in deze studie is ontwikkeld, zowel karmijnzuur als aloësine werden met succes geproduceerd uit glucose.

"In deze studie werd voor het eerst een duurzame en insectenvrije methode voor het produceren van karmijnzuur bereikt. Onbekende of inefficiënte enzymen zijn altijd een groot probleem geweest bij de biosynthese van natuurlijke producten, en hier stellen we een effectieve oplossing voor om dit probleem op te lossen. Aangezien het behoud van een goede gezondheid in de vergrijzende samenleving steeds belangrijker wordt, we verwachten dat de hier ontwikkelde technologie en strategieën een cruciale rol zullen spelen bij het produceren van andere waardevolle natuurlijke producten van medisch of voedingsbelang, " zei Distinguished Professor Sang Yup Lee.